巖溶地基加固前后超長樁基承載效果研究

李龍起 趙玉印 李學友

(1.成都理工大學 地質(zhì)災害防治與地質(zhì)環(huán)境保護國家重點實驗室,成都 610059;2.中鐵二局集團四公司,成都 610031;3.西南交通大學 土木工程學院,成都 610031)

巖溶是酸性水對可溶性巖石(如碳酸鹽巖、石膏等)進行以化學溶蝕作用為主,流水沖蝕和崩塌等機械作用為輔所形成的獨特地質(zhì)現(xiàn)象.巖溶地質(zhì)廣泛分布于我國南方地區(qū).隨著我國基建事業(yè)的飛速發(fā)展,鐵路、公路等交通設施在建設過程中不可避免地穿越巖溶發(fā)育區(qū).特別是在上述地區(qū)修建高速鐵路時,常采用橋梁跨越形式,地基中巖溶空洞的存在對橋梁基礎的設計和施工提出巨大挑戰(zhàn).

目前國內(nèi)外學者對巖溶區(qū)樁基承載特性開展了初步研究.MENETREY、趙明華等[1-2]研究了巖溶區(qū)樁基沖切破壞的幾種典型破壞模式,并基于公式推導指出安全厚度一般取2～3 倍樁徑較為合理.黎斌等[3]采用有限元數(shù)值分析探討了樁基下伏溶洞頂板應力分布情況,給出了樁底距溶洞頂板安全距離為溶洞寬度的70%左右.除了探討樁底的破壞模式和安全距離,部分學者還研究了單樁樁側(cè)或樁底存在溶洞時樁基的受力和變形特性.但其關注點主要在側(cè)摩阻力的折減及可能的沖切變形破壞模式,對于復雜情況下巖溶空洞樁基的工作情況并不深入.為此,部分學者嘗試采用研究串珠狀復雜巖溶空洞區(qū)樁基的工作性狀.鄧尚強[4]運用Plaxis2D 建立了單樁巖溶地基模型,分析了地基中存在串珠狀溶洞時,單樁的受力變形性狀及樁周巖土體的應力分布特征.李金良等[5]和黃明等[6]分析樁基下穿串珠狀溶洞的荷載傳遞影響規(guī)律時,探討了樁基與地基中串珠狀溶洞的協(xié)同作用過程.上述工作拓展了巖溶區(qū)樁基的研究范圍和深度.然而,其研究范圍主要集中在較為簡單的工況[7-10],尚存在以下問題有待解決:1)對于串珠狀巖溶空洞區(qū)超長群樁的工作性能認識不足;2)缺乏不同加固方案對于樁基工作特性影響的評估.

本研究基于Plaxis3D 三維有限元數(shù)值方法建立了包含巖溶空洞的地層模型,進而對比分析溶洞加固前后樁基的沉降、受力等承載特性,并探討了不同位置處樁基的樁身的軸力以及地基變形規(guī)律.研究成果可為今后巖溶區(qū)的樁基設計及加固提供技術參考.

1 工程概況

南玉鐵路跨黎湛特大橋橋址位于興業(yè)縣東南側(cè),線路跨越國道324和黎湛鐵路.橋址區(qū)附近地形屬平坦殘丘洼地,地面高程99～146 m,相對高差47 m.地層巖性自上而下分布如下:①人工填土(Q4ml6):厚約1～5 m,部分夾有碎石,含少量砂礫、圓礫土和建筑垃圾.稍密-中密,Ⅱ級普通土.②黏土(Q4al1):厚度2.6～3.2 m,呈褐黃色,顆粒成分以黏粒為主,土質(zhì)較均勻,形態(tài)呈軟塑-硬塑狀,Ⅱ級普通土.③砂巖(D3lSs):厚度約22.6～24.3 m,呈黃褐色,泥質(zhì)粉砂結構,薄厚層構造,硅質(zhì)膠結,強風化,節(jié)理裂隙發(fā)育,巖芯呈角礫狀.④灰?guī)r(D3lLs):厚度90～130 m,呈青灰、灰白色,礦物成分以方解石為主,隱晶質(zhì)結構,中厚層狀構造,節(jié)理裂隙較發(fā)育,巖芯巖質(zhì)堅硬,弱風化,滴鹽酸劇烈起泡.前期地質(zhì)勘探查明地面以下灰?guī)r層中沿豎直方向串珠狀溶洞較為發(fā)育,溶洞寬20～30 m,高4～12 m,形態(tài)近似呈矩形.各地層的物理力學指標根據(jù)室內(nèi)試驗獲得,見表1.

表1 地層物理力學參數(shù)

地層斷面如圖1所示.

圖1 地層剖面圖(單位:m)

樁基采用長98 m、直徑1.5 m 的C30鋼筋混凝土鉆孔灌注樁,樁間距3.4 m.承臺長20 m,寬0.8 m,高3.5 m,平面布置如圖2所示.

圖2 樁基平面布置示意圖(單位:mm)

2 有限元數(shù)值模擬

1)地基

地基采用15節(jié)點Gaussian高精度四面體單元進行離散,并對樁周地基網(wǎng)格進行局部加密處理,共使用8969個單元.該設置可靈活劃分網(wǎng)格,同時在有限單元數(shù)量上保持較高的計算精度和可靠性.地基上覆土體和下部基巖分別采用摩爾-庫侖、霍克-布朗模本構型.此外,在樁與土之間設置基于vermeer本構的接觸單元模擬土-結相互作用,接觸系數(shù)為0.53.在模型底面邊界施加豎直和水平向位移約束,在地基兩側(cè)邊界施加水平向約束.

現(xiàn)場勘察表明,地基中存在串珠狀溶洞時往往分布較不規(guī)則[8],若以單個工點的具體溶洞分布作為分析對象,其研究成果往往難以指導其它工程.因此,現(xiàn)行的研究往往將溶洞簡化為簡單拓撲模型.本研究參照該經(jīng)驗將近似矩形溶洞簡化為矩形,其基本尺寸為28 m×28 m×8 m(長×寬×高).地基中自上而下設置3個溶洞:1號溶洞主要探討樁周地基中溶洞對其承載的影響,2號溶洞主要探討樁端地基溶洞對其承載的影響,3號溶洞主要探討樁端下臥地基溶洞對其承載的影響.

2)承臺和樁基礎

承臺采用基于線彈性本構模型的實體單元.樁基采用embedded pile單元,該結構單元可考慮樁基橫向間距,且建模簡單,能以較小的計算成本考慮樁基的空間效應.承臺和樁共采用3200個單元.承臺及樁基的物理參數(shù)均為容重γ=25 k N/m3,彈性模量E=31.5 GPa,泊松比μ=0.18.

3)模型設置與加載工況

為對比分析溶洞加固前后樁基的承載性能,分別建立相應數(shù)值計算模型.模型尺寸為200 m×200 m×200 m(長×寬×高).溶洞工況見表2,其中工況1～3主要探討溶洞高度不同對樁基承載的影響,工況4～8是基于工況2 開展的拓展研究,主要對比填充方案、填充材料不同對于樁基承載的影響.地層和樁基數(shù)值計算采用的物理力學參數(shù)基于表1,填充方案見表2,溶洞填充材料參數(shù)見表3.最終建立的數(shù)值模型如圖3所示.

表2 溶洞基本狀況

表3 溶洞填充材料物理力學參數(shù)

圖3 數(shù)值模型示意圖(單位:m)

為進一步探討樁基的承載特性,在承臺頂以單級荷載300 k N 的方式逐級施加靜態(tài)均布荷載,加載等級為14級.

3 結果分析

3.1 加固前后樁基荷載-沉降特征

圖4為不同加固工況下樁基荷載-沉降曲線.地基加固后樁基的承載力得到了顯著提高,其中以全填充型地基中樁基承載力最為顯著.未填充(工況1～3)和局部填充地基(工況4、5)中樁基荷載沉降曲線呈陡降型趨勢,而全填充地基(工況6～8)中樁基荷載-沉降曲線呈緩變型,未出現(xiàn)顯著的陡降段.對比工況1～3可知,隨著巖溶空洞高度從4 m 依次增加到12 m,樁基的承載力從80 MN 逐漸減低至60 MN,其承載力降低了25%.其原因首先是溶洞高度增加使得樁側(cè)約束減弱,進一步形成樁身懸空段的屈曲,其次是溶洞高度增加降低了樁側(cè)的摩阻力.

圖4 承臺頂部荷載-沉降曲線

在相同的填充材料下,填充方案對樁基承載特性的影響較大.全填充的方案效果優(yōu)于局部填充,填充條件受限的情況下,上部溶洞填充(方案4)效果略優(yōu)于中部填充(方案5).在溶洞全填充的情況下,水泥砂漿和素混凝土的填充效果顯著優(yōu)于泥漿填充效果,以樁頂荷載160 MN 為例,前兩者的沉降比后者降低10～14 mm.

3.2 加固前后樁身軸力分布特征

圖5為上部荷載為40 MN 時不同溶洞高度狀況下基樁軸力分布曲線.其中角樁指1號樁,中樁指3號樁.

圖5 不同溶洞高度狀況下基樁軸力分布

隨著深度增大,樁身軸力逐漸減小,其中以下部巖層中的樁身軸力衰減最快,說明巖層提供的樁側(cè)摩阻力較大.同時可知,對于無填充溶洞的地基而言,溶洞的高度對于樁身軸力的分布影響較大,一方面表現(xiàn)在溶洞附近軸力不變的區(qū)域增大,另一方面表現(xiàn)為中樁和角樁軸力差異的變化,尤其在1號溶洞區(qū)上方最為顯著.值得注意的是1號溶洞上方存在一個顯著的軸力增加區(qū),該區(qū)域主要是由于溶洞上方巖體松動下沉對于樁基產(chǎn)生的附加應力引起.由圖5可知,該區(qū)域的軸力隨著溶洞高度的增加而增大,進而導致溶洞中工況3樁身軸力達到工況1樁身軸力的3倍左右.

樁頂附近的角樁軸力大于中樁軸力,說明角樁的承載力發(fā)揮先于中樁.然而隨著深度的增加,存在一個臨近深度,超出該深度時,中樁的軸力逐漸大于角樁的軸力.但總體說來,中樁軸力大于角樁軸力的區(qū)域相對較小,因此角樁仍是承載的主體.這與張文學等[8-10]的研究是一致的.

圖6對比了上部荷載為40 MN 時,不同填充溶洞方案下的樁基軸力分布.對于3種工況而言,除工況4在1號、2號溶洞之間的角樁和中樁軸力略有差異之外,工況5和6在樁身下部軸力較為接近.這主要是由于工況4的2號溶洞并未采取填充從而導致上部巖體產(chǎn)生塑性變形進而對不同位置處樁體產(chǎn)生不均勻附加荷載.對于工況5而言,由于1號溶洞的存在,導致溶洞區(qū)附近的軸力分布形態(tài)與工況4和6顯著不同.這種應力突然增大的情況有可能導致局部應力集中現(xiàn)象,進而對樁基的承載造成不利影響.說明在承載初期,相對于下部溶洞而言,上部溶洞的存在對樁體受力更為不利.同時可知,全填充(工況6)條件下樁身的軸力分布變化更為平順,更有利于樁周地基中承載力的發(fā)揮.

圖6 不同溶洞填充方案下基樁軸力分布

圖7為上部荷載40 MN 時不同填充材料對于樁身軸力分布的影響.

圖7 不同溶洞填充材料下基樁軸力分布

素混凝土加固方案(工況6)樁身軸力在淺層地基衰減最快,體現(xiàn)了下部巖溶加固強化了地基的穩(wěn)定性,進而形成較為有利的應力分布,并給樁身提供較大側(cè)摩阻力.水泥砂漿加固方案(工況7)中樁身軸力在淺層略大于素混凝土加固方案,但在地基深層處,樁身軸力與素混凝土加固時樁身軸力較為接近,說明采用這兩種加固方案均有利于樁身的受力.從經(jīng)濟方面考慮,推薦采用素混凝土方案.與前兩種方案相比,泥漿加固方案(工況8)在溶洞2號處的樁身軸力分布趨勢與前兩種方案不同,這主要是由于泥漿加固提供的側(cè)摩阻力較小,且其變形模量較大,無法給樁身提供較多的阻抗所致.

3.3 加固前后地基應力及變形特征

溶洞的存在改變了地基中應力的分布形態(tài),進而對樁基摩阻力產(chǎn)生較大影響.由此可知,認識加固前后地基中應力的分布形態(tài)較為重要,將其與對應的地基變形特征進行綜合分析,可較好地揭示樁基的承載機理.為重點分析加固前后地基中的應力分布及對應的變形特征,選取工況2 和6 作為基礎進行對比分析.

圖8分別為不同加載條件下地基中應力及位移分布特征.

對于未加固地基而言,應力場總體呈現(xiàn)巖溶洞區(qū)和樁周應力集中的現(xiàn)象,體現(xiàn)在溶洞側(cè)部的應力顯著大于溶洞頂部和底部區(qū)域.溶洞頂部和底部的應力小于周圍地區(qū)的應力,這主要是由于串珠狀溶洞使得樁基傳來的荷載在地基中進行非均勻的傳遞和擴散,并進而形成“應力拱”現(xiàn)象.“應力拱”區(qū)域的地基應力通過拱效應轉(zhuǎn)移至周邊區(qū)域,一方面造成了地基中應力增大,另一方面進一步促進了應力不均勻現(xiàn)象的發(fā)生.這種綜合作用導致了未加固地基中樁基的承載特性較加固地基早出現(xiàn)非線性特征,進而出現(xiàn)破壞的可能性.與無加固地基相比,加固后地基中的應力分布較為連續(xù),說明加固之后可以調(diào)動更大范圍的巖土體承載樁基結構傳來的荷載,因而受力更為合理.

對比分析加固前后的地基沉降云圖可知,未加固地基中沉降云圖在溶洞附近呈現(xiàn)圈封閉狀態(tài),位移等值線在3號溶洞周圍兩側(cè)各自封閉.加固后地基中位移云圖呈現(xiàn)梨狀分布,等值線較為連續(xù).這種位移等值線的連續(xù)與否反映了地基中變形的均勻性狀況,并進而影響承臺頂部的沉降數(shù)值.

4 結論

本文以南玉鐵路沿線巖溶地基中超長樁基建設為工程原型,采用三維有限元軟件對比分析了不同工況下樁基的工作特性和地基的沉降特點,得出如下主要結論:

1)無加固和部分加固巖溶地基中樁基荷載-沉降曲線呈陡降型,全加固地基中樁基荷載-沉降曲線呈緩變型.

2)巖溶空洞高度對于超長樁基承載力影響較大,隨著高度從4 m 依次增加到12 m,超長樁基的承載力降低約25%.

3)相對于部分填充方案,采用素混凝土的全填充加固方案效果最優(yōu).如條件有限時,盡量加固上層溶洞,可在一定程度上降低超長樁基沉降.

4)串珠狀溶洞較易在地基中形成應力拱效應,并進而影響超長樁基的受力.該效應加劇了地基中應力分布的不均勻性,并進而導致在溶洞周圍出現(xiàn)位移等值線局部圈閉的現(xiàn)象.這種力學機制是導致溶洞未加固地基中超長樁基沉降大于加固地基超長樁基沉降的誘因.